La clave de la computación cuántica práctica y de la alta eficiencia de células solares podría estar en ese desaliñado mundo verde fuera del laboratorio de física.

En vista de ello, los efectos cuánticos y los organismos vivos parecen ocupar ámbitos completamente diferentes. Los primeros suelen observarse sólo a escala nanométrica, rodeados de vacío extremo, con temperaturas ultra-bajas y un entorno de laboratorio herméticamente controlado. El último organismo habita en un mundo macroscópico caliente, desordenado y mucho menos controlado. Un fenómeno cuántico, como la «coherencia», en el que los patrones de ondas de cada parte de un sistema va por pasos, no dura ni un microsegundo en el tumultuoso ámbito de una célula.

Bueno, eso es lo que todos pensaban. Sin embargo, los descubrimientos de los últimos años sugieren que la naturaleza sabe de algunos trucos que los físicos ignoran: los procesos cuánticos coherentes podrían estar manifestándose de manera ubícua en el mundo natural. Se sabe, o se sospecha, por unos cuantos ejemplos, desde la capacidad de las aves para navegar usando el campo magnético de la Tierra hasta el funcionamiento interno de la fotosíntesis (el proceso por el cual las plantas y las bacterias transforman la luz solar, el dióxido de carbono y el agua en materia orgánica, podría decirse que es la reacción bioquímica más importante en la Tierra).

La biología tiene una habilidad especial para usar aquello que funciona, comenta Seth Lloyd, un físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. Y si esto significa una «ficción cuántica, pues tal vez lo sea». Algunos investigadores incluso han comenzado a hablar de una disciplina emergente llamada biología cuántica, argumentando que los efectos cuánticos son ingredientes vitales, aunque extraños, de la manera en que funciona la naturaleza. Y los físicos interesados en una tecnología práctica están prestándole mucha atención. «Esperamos ser capaces de aprender de la destreza cuántica de los sistemas biológicos», añade Lloyd. Una mejor comprensión de la manera que los efectos cuánticos se mantienen en los organismos vivos podrían ayudar a los investigadores a alcanzar ese esquivo objetivo de la computación cuántica. «Quizá podamos fabricar un mejor almacenamiento de la energía, o mejorar las células solares orgánicas.»

Descubriendo rutas de la energía

Los investigadores han sospechado desde hace tiempo que con la fotosíntesis se ponen en marcha cosas que no son normales. Las partículas de luz, los fotones, que fluyen desde el sol, llegan a las moléculas de clorofila, y unos pigmentos, como antenas, absorben la luz que se va agrupando dentro de las células de las hojas, y dentro de cada bacteria fotosintética. Pero una vez que la energía de los fotones se deposita, no se guarda de forma aleatoria. De alguna manera, se consigue canalizar en un flujo constante hacia el centro de reacción fotosintética de la célula, donde más tarde se puede utilizar con la máxima eficiencia para convertir el dióxido de carbono en azúcares.

Desde los años de 1930, los científicos han reconocido que este viaje debería ser descrito por la mecánica cuántica, que sostiene que los electrones son partículas que a menudo se comportan como ondas. Los fotones golpean una molécula antena, levantando ondas de energizados electrones  —excitones—, como lo haría las salpicaduras en el agua de una roca en un charco. Estos excitones van pasando de una molécula a la siguiente hasta llegar al centro de reacción. Pero, ¿esta trayectoria se hace al azar, sin dirección definida, como se supuso inicialmente por los investigadores? ¿O es posible que su movimiento sea más organizado? Algunos investigadores modernos señalan que los excitones podrían ser coherentes, y que sus ondas se extienden a más de una molécula durante su paso y se refuerzan entre sí.

De ser así, es un impresionante corolario. Las ondas cuánticas coherentes pueden existir en dos o más estados al mismo tiempo, por lo que los excitones coherentes serían capaces de moverse a través del bosque de moléculas antena a través de dos o más rutas simultáneamente. De hecho, se podría explorar a la vez una multitud de posibles opciones, y seleccionar automáticamente la ruta más eficiente para el centro de reacción.

Hace cuatro años, dos equipos que trabajan a cargo de Graham Fleming, químico de la Universidad de California, Berkeley, fueron capaces de obtener la prueba experimental para apoyaba esta hipótesis (ver ‘Quantum fact meets fiction’). Un equipo utilizó una serie de láseres de pulsos muy cortos para probar el aparato fotosintético de la bacteria verde del azufre, la Chlorobium tepidium [1]. Los investigadores tuvieron que enfriar las muestras a 77 K (-196,15 ºC) con nitrógeno líquido, pero los datos de las pruebas láser mostraban una clara evidencia de estados coherentes del excitón. El segundo equipo realizó un estudio similar de la bacteria púrpura Rhodobacter sphaeroides [2], descubriendo con mucho, la misma coherencia electrónica que opera a temperaturas de hasta 180 K (-93ºC).

En 2010, los investigadores del primer grupo publicaron evidencias de coherencia cuántica en su complejo bacteriano a temperatura ambiente [3], donde se mostraba que la coherencia no es sólo el ingenio de unas condiciones de laboratorio criogénico, sino que en realidad era algo importante para la fotosíntesis del mundo real. Casi al mismo tiempo, un equipo dirigido por Gregory Scholes, químico de la Universidad de Toronto en Canadá, también informaba de efectos de coherencia a temperatura ambiente [4], esta vez no en con bacterias, sino con las algas criptofitas fotosintéticas, organismos evolutivamente distintos que están muy relacionados con las plantas y los animales, pero que utilizan grupos químicos completamente diferentes que absorben la luz.

Pero, ¿cómo puede la coherencia cuántica durar lo bastante como para ser usada en la fotosíntesis? La mayoría de los físicos tienen bien asumido que, a temperatura ambiente, el caos molecular circundante a la célula destruye la coherencia casi al instante.

Las simulaciones por ordenador, realizadas por Lloyd y algunos de sus colegas, sugieren una respuesta: el ruido aleatorio del medio ambiente podría realmente mejorar la eficiencia de la transferencia de energía de la fotosíntesis en lugar de degradarla [5]. Puede que, a veces, un excitón quede atrapado en lugares concretos de la cadena fotosintética, pero las simulaciones sugieren que el ruido ambiental puede soltarlo y evitar la destrucción de su coherencia. En efecto, dice Lloyd, «el medio ambiente libera al excitón y le permite llegar a su sitio».

La fotosíntesis no es el único ejemplo de los efectos cuánticos de la naturaleza. Por ejemplo, los investigadores ya conocen desde hace varios años, que en algunas de las reacciones catalizadas por enzimas [6], los protones se mueven de una molécula a otra debido al fenómeno de túnel de la mecánica cuántica, en el que una partícula pasa a través de una barrera de energía en lugar de reunir la energía suficiente para escalarla. Y hay una controvertida teoría sobre el olfato, donde el olor proviene por la detección bioquímica de las vibraciones moleculares, un proceso que implica un túnel de electrones entre la molécula responsable del olor y el receptor que lo enlaza a la nariz [7].

Pero, ¿Hay tantos ejemplos como para justificar una disciplina totalmente nueva? Robert Blankenship, investigador de la Universidad Washington en St Louis, Missouri, y co-autor junto a Fleming del artículo de C. tepidium, admite un cierto escepticismo. «Mi sensación es que puede haber unos cuantos casos, como los que ya se conocen, donde estos efectos son importantes», comenta, «pero que muchos, si no la mayoría, de los sistemas biológicos no utilizan estos efectos cuánticos». Aunque Scholes piensa que hay motivos para el optimismo, y dar una definición adecuadamente amplia de la biología cuántica. Yo creo que hay otros ejemplos en biología, donde una comprensión a nivel cuántico nos ayudará a apreciar mejor cómo funciona el proceso.»

La brújula de las aves

El gran rompecabezas biológico podría ser explicado por exóticos efectos cuánticos, como la forma en que algunas aves son capaces de navegar por el campo magnético de detección de la Tierra.

Se sabe que se activa un sensor magnético aviar por medio de la luz que incide en la retina de las aves. Las investigadores actuales dilucidan sobre este mecanismo, mediante la energía depositada por cada fotón incidente y crea un par de radicales libres [8], con unas moléculas altamente reactivas, cada una con un electrón no pareado. Todos estos electrones no pareados tiene un momento angular intrínseco o espín, que puede ser reorientado por un campo magnético. Como radicales separados, uno de los electrones no pareados se ve influenciado principalmente por el magnetismo de un núcleo atómico cercano, mientras que el otro que está más lejos del núcleo, se siente influenciado por campo magnético de la Tierra. La diferencia en los campos cambia el par radical pareado entre estos dos estados cuánticos con distinta reactividad química.

«Una versión de esta idea sería la sintetización de algunos productos químicos en las células retinales de las aves cuando el sistema está en un estado, y que no se produce cuando está en la otro, señala Simon Benjamin, físico de la Universidad de Oxford, Reino Unido. «Su concentración refleja la orientación del campo de la Tierra». La viabilidad de esta idea fue demostrada en 2008 en una reacción fotoquímica artificial, en la que los campos magnéticos afectaban el tiempo de vida de un par radical [9].

Benjamín y sus colaboradores, han propuesto que los dos electrones, no pareados, que se crean por la absorción de un solo fotón, existen en un estado de entrelazamiento cuántico: una forma de coherencia en la cual, la orientación de un espín se mantiene correlacionada con la de los otros, sin importar lo lejos que se muevan los radicales. El entrelazamiento es en general bastante delicado a temperatura ambiente, pero los investigadores calculan que la brújula aviar lo mantiene por lo menos decenas de microsegundos, eso es mucho más de lo que cualquier sistema artificial molecular pueda mantenerlo en la actualidad [10].

Esta detección magnética cuántica asistida podría ser algo general. No sólo las aves, sino también algunos insectos y plantas, muestran respuestas fisiológicas a los campos magnéticos, por ejemplo, la influencia inhibitoria del crecimiento de la luz azul sobre la floración de la planta Arabidopsis thaliana está moderada por los campos magnéticos, de manera que también pueden estar utilizando el mecanismo del par radical [11]. Sin embargo, para estar seguros de que funciona de esta manera, añade Benjamin, «debemos entender qué moléculas básicas están involucradas, y luego estudiarlas en el laboratorio».

Beneficios selectivos

Parece que, el uso de la coherencia cuántica de la fotosíntesis beneficia a los organismos; pero, ¿su capacidad para explotar los efectos cuánticos evoluciona por selección natural? ¿o la coherencia cuántica es sólo un efecto secundario accidental de la forma en que ciertas moléculas están estructuradas? «Hay mucha especulación sobre la cuestión evolutiva, además de un montón de malentendidos», dice Scholes, que está lejos de ser seguro de la respuesta. «No sabemos si este efecto en la fotosíntesis se selecciona, si hay o no la opción de usar la coherencia para mover la energía electrónica. No hay datos disponibles, ni siquiera para abordar la cuestión.»

No parece tan obvio por qué la selección estaría a favor de la coherencia. «Casi todos los organismos fotosintéticos pasan la mayor parte del día tratando de moderar su cosecha de luz. Y ya que la luz es limitada ¿no habría una presión evolutiva para una recolección más eficiente de la luz?» Fleming está de acuerdo con esto, se sospecha que la coherencia cuántica no es adaptativa, sino que es simplemente es «producto de un denso paquete de cromóforos necesarios para optimizar la absorción de energía solar». Scholes espera investigar el problema por la comparación de las aisladas proteínas antena de las especies de algas criptofitos que evolucionaron en diferentes períodos.

Pero incluso, si la coherencia cuántica de los sistemas biológicos es un efecto del azar, agrega Fleming, sus consecuencias son extraordinarias, vuelve a los sistemas insensibles al desorden en la distribución de energía. Es más, dice, «permite, como un rectificador, transferir la energía de una forma única, produciendo una tasa de transferencia más rápida, insensible a la temperatura y probablemente a algunas otras cosas que ni haya imaginado».

Estos efectos, a su vez, sugieren unos usos prácticos. Quizá lo más obvio, apunta Scholes, una mejor comprensión de cómo funcionan los sistemas biológicos que consiguen la coherencia cuántica en condiciones ambientales, «cambiará nuestra manera de pensar sobre el diseño de estructuras de captación de luz». Esto permitiría a los científicos crear una tecnología, como las células solares, que mejoren su eficiencia en la conversión de energía. Seth Lloyd lo considera «una expectativa razonable», y está particularmente esperanzado en que su descubrimiento sobre el papel positivo del ruido medioambiental será útil para la ingeniería de sistemas fotónicos, utilizando materiales tales como los puntos cuánticos (cristales a nanoescala) o polímeros altamente ramificados, salpicados de grupos químicos que absorban la luz, que pueden servir como antenas artificiales.

Otra área de aplicación potencial es la informática cuántica. Un objetivo desde hace mucho tiempo de los físicos e ingenieros que trabajan en esta área, es la manipulación de datos codificada en bits cuánticos (qubits) de la información, como los estados de arriba y abajo del espín de un electrón o de un núcleo atómico. Los qubits pueden existir en los dos estados al mismo tiempo, lo que permite la exploración simultánea de todas las posibles respuestas a la computación que codifican. En principio, esto otorgaría a los ordenadores cuánticos el poder de encontrar la mejor solución mucho más rápido que los actuales ordenadores, pero sólo si los qubits pueden mantener su coherencia, sin el ruido del entorno, tal como los empujones de los átomos vecinos, que destruyen la sincronía de las ondas.

Pero la biología, de alguna manera ha resuelto el problema. En efecto, la coherencia cuántica permite que un fotosistema para realizar la «mejor ruta» de computación cuántica. Benjamin, cuyo principal interés es en el diseño de sistemas de materiales para la computación cuántica y tecnologías de la información, ve que la brújula aviar a temperatura ambiente como una guía potencial. «Si averiguamos cómo la brújula de las aves se protege de la decoherencia, esto nos daría algunas pistas para crear tecnologías cuánticas», dice. Aprender de la naturaleza es una idea tan vieja como la mitología; sin embargo, hasta ahora nadie se había imaginado que el mundo natural tuviese algo que enseñarnos acerca del mundo cuántico.

• Referencia: Nature.com, 15 de junio 2011, por Philip Ball
• Citas:
• 1. Engel, G. S. et al. Nature 446, 782-786 (2007). | Article .
• 2. Lee, H., Cheng, Y.-C. & Fleming, G. R. Science 316, 1462-1465 (2007). | Article |
• 3. Panitchayangkoon, G. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 12766-12770 (2010). | Article .
• 4. Collini, E. et al. Nature 463, 644-647 (2010). | Article .
• 5. Mohseni, M., Rebentrost, P., Lloyd, S. & Aspuru-Guzik, A. J. Chem. Phys. 129, 174106 (2008). | Article .
• 6. Ball, P. Nature 431, 396-397 (2004). | Article .
• 7. Turin, L. Chem. Senses 21, 773-791 (1996). | Article .
• 8. Ritz, T., Thalau, P., Phillips, J. B., Wiltschko, R. & Wiltschko, W. Nature 429, 177-180 (2004). | Article .
• 9. Maeda, K. et al. Nature 453, 387-390 (2008). | Article .
• 10. Gauger, E. M., Rieper, E., Morton, J. J. L., Benjamin, S. C. & Vedral, V. Phys. Rev. Lett. 106, 040503 (2011). | Article .
• 11. Ahmad, M., Galland, P., Ritz, T., Wiltschko, R. & Wiltschko, W. Planta 225, 615-624 (2007). | Article .

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